閻世梁， 張 華， 肖曉萍， 王銀玲， 熊開封

(西南科技大學(xué)工程技術(shù)中心，四川綿陽621010)

0 引言

在強(qiáng)調(diào)工程教育“回歸工程、服務(wù)社會(huì)”的背景下，如何培養(yǎng)高素質(zhì)的，具有現(xiàn)代工程觀的工程師是高等工程教育一個(gè)主要目標(biāo)。在傳統(tǒng)的工程實(shí)踐教學(xué)中，實(shí)踐類型單一，實(shí)踐內(nèi)容的枯燥，缺乏學(xué)科間的交叉融合等現(xiàn)實(shí)因素導(dǎo)致學(xué)生缺乏興趣，實(shí)踐效果不明顯，極大地制約了學(xué)生綜合應(yīng)用能力的提升與創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)。因此，尋求具有吸引力的高度綜合的實(shí)踐教學(xué)載體是解決該問題的一種有效方式，實(shí)踐表明，以智能機(jī)器人為載體的工程實(shí)踐教學(xué)對(duì)提升學(xué)生的工程能力和創(chuàng)新意識(shí)具有明顯的效果［1］。

智能機(jī)器人作為一個(gè)多學(xué)科交叉融合的綜合載體，涵蓋了電子信息、機(jī)械、計(jì)算機(jī)、材料、生物等諸多大類學(xué)科，應(yīng)用范圍幾乎可以涉及到日常生活和軍事應(yīng)用的所有領(lǐng)域。正是因?yàn)橹悄軝C(jī)器人技術(shù)的高度綜合與極其廣泛的應(yīng)用，以及機(jī)器人種類的繁多，我們也很難給其一個(gè)準(zhǔn)確的定義。隨著教育信息化與國際化程度的不斷提升，機(jī)器人教育正在全球范圍內(nèi)積極開展，在高等教育中，以智能機(jī)器人技術(shù)為載體的教學(xué)實(shí)踐與創(chuàng)新能力培養(yǎng)活動(dòng)已經(jīng)得到了廣泛的認(rèn)可，并逐步滲透到各個(gè)學(xué)科，在一些發(fā)達(dá)國家，機(jī)器人教育可以從幼兒園的啟蒙階段一直延續(xù)到高等教育階段。在國外知名高校，如麻省理工學(xué)院(MIT)、卡耐基梅隆大學(xué)(CMU)、蘇黎世聯(lián)邦工學(xué)院(ETH)等在以智能機(jī)器人為載體的教學(xué)活動(dòng)中探索機(jī)器人教育的關(guān)鍵技術(shù)和教育教學(xué)方法等方面都取得了明顯的成效［2］，并對(duì)機(jī)器人教育的可持續(xù)發(fā)展進(jìn)行了探索［3］，文獻(xiàn)［4］對(duì)于在技術(shù)欠發(fā)達(dá)地區(qū)如何開展機(jī)器人教育進(jìn)行了討論。然而，如何有效地開展機(jī)器人教育并無定式，不同高校和不同學(xué)科都有各自的特殊性。本文首先對(duì)機(jī)器人教育中存在的問題進(jìn)行了簡要分析，進(jìn)而以西南科技大學(xué)國家級(jí)工程訓(xùn)練中心機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室為依托，對(duì)如何開展機(jī)器人教育進(jìn)行了積極的探索與實(shí)踐。

1 機(jī)器人教育滲透到多專業(yè)、多學(xué)科

目前，傳統(tǒng)的觀點(diǎn)過多的將機(jī)器人教育看作是理工科的“專利”，這極大地限制了機(jī)器人教育的開展，我們應(yīng)當(dāng)從機(jī)器人教育的工程思維觀來思考機(jī)器人教育的開展。文獻(xiàn)［5-7］分別從機(jī)械工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)和輪式機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的角度討論了在具體學(xué)科、專業(yè)中機(jī)器人工程教育的開展，對(duì)于工科學(xué)生而言，以機(jī)器人為載體來強(qiáng)化知識(shí)和能力的綜合運(yùn)用的方式已得到廣泛的實(shí)踐和認(rèn)可。

隨著機(jī)器人教育內(nèi)涵的不斷延伸，我們認(rèn)為僅僅局限于機(jī)械、電子信息、計(jì)算機(jī)等少數(shù)幾個(gè)學(xué)科及其專業(yè)的機(jī)器人教育并不能很好的體現(xiàn)現(xiàn)代高等工程教育的“大工程”觀［8］，縱觀近年來機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人正在從工業(yè)環(huán)境逐步滲透到娛樂［9］、福利事業(yè)［10］、醫(yī)療輔助［11］等社會(huì)環(huán)境，文獻(xiàn)［6］的統(tǒng)計(jì)表明，從1989～2009年，機(jī)器人技術(shù)在生物、感知方面的進(jìn)步趨勢(shì)正逐步超越計(jì)算機(jī)、機(jī)械和電子工程等傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)學(xué)科，然而我國高校中在醫(yī)學(xué)、能源工程、環(huán)境科學(xué)、生物工程等學(xué)科中卻很少有機(jī)器人教育真正意義上開展，但我們已經(jīng)看到這些學(xué)科正在與機(jī)器人技術(shù)產(chǎn)生緊密的聯(lián)系。另一方面，我們認(rèn)為所有專業(yè)的學(xué)生都可以從機(jī)器人感知和機(jī)器人文化的角度出發(fā)，對(duì)機(jī)器人在人類社會(huì)演進(jìn)歷程進(jìn)行認(rèn)知，了解機(jī)器人在當(dāng)代軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、社會(huì)服務(wù)等范圍內(nèi)發(fā)揮的作用，分析和評(píng)價(jià)機(jī)器人技術(shù)和機(jī)器人文化的進(jìn)步對(duì)人類社會(huì)和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生的影響，因此，如何用直觀的展示方法和簡單的動(dòng)手操作來滿足各層次、各專業(yè)學(xué)生的好奇心，增強(qiáng)學(xué)生工程素質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)，提升對(duì)科學(xué)探索的求知欲是值得我們深入思考的。

因此，我們認(rèn)為在現(xiàn)代工程教育的理念下，機(jī)器人教育應(yīng)該通過多種方式滲透到各個(gè)學(xué)科中［12-13］，并根據(jù)社會(huì)的進(jìn)步和需求，在某些非機(jī)電類專業(yè)中進(jìn)行加強(qiáng)，機(jī)器人教育不應(yīng)僅僅看作是一個(gè)具體的專業(yè)實(shí)驗(yàn)載體，它應(yīng)當(dāng)為不同專業(yè)的學(xué)生進(jìn)行協(xié)作創(chuàng)新提供一個(gè)良好交流平臺(tái)。

2 機(jī)器人教育教學(xué)方式的多樣化與體現(xiàn)學(xué)科前沿

近20年來，機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展日新月異，各種傳感器的應(yīng)用，機(jī)械結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，微處理器性能的提升以及算法的改進(jìn)等都導(dǎo)致了機(jī)器人在智能化、適應(yīng)性和多樣性等方面產(chǎn)生了顯著的進(jìn)步。因此，大量豐富的信息需要多樣化的教學(xué)方式加以體現(xiàn)，普通的單一實(shí)驗(yàn)裝置已無法滿足教學(xué)要求。

在實(shí)踐教學(xué)中:①引導(dǎo)學(xué)生以微處理器為核心單元，輔以常用傳感器，利用學(xué)校的機(jī)械加工設(shè)備構(gòu)建移動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)來完成特定功能的機(jī)器人制作過程是一個(gè)很好的教學(xué)方式;②目前模塊化的機(jī)器人教學(xué)套件廣泛采用，如慧魚、Lego機(jī)器人，這類機(jī)器人教具便于學(xué)生發(fā)揮想象，體驗(yàn)樂趣，可以讓不具有過多專業(yè)知識(shí)的學(xué)生通過一些簡單的圖形化編程操作來完成自己的作品，這兩種方式目前在高校中針對(duì)不同層次的學(xué)生都有涉及。但我們需要注意的是，這些內(nèi)容大部分還處于對(duì)學(xué)生基本能力的訓(xùn)練的層次，所涉及的內(nèi)容也比較有限。例如，對(duì)于工業(yè)機(jī)器人軌跡規(guī)劃，移動(dòng)機(jī)器人定位導(dǎo)航、地圖構(gòu)建，仿生機(jī)器人，群集機(jī)器人等機(jī)器人學(xué)的前沿?zé)狳c(diǎn)，一般情況下這些內(nèi)容在本科生教學(xué)階段僅個(gè)別專業(yè)能少有涉及，盡管這些內(nèi)容還處于研究階段，但這些反應(yīng)學(xué)科前沿的內(nèi)容完全有必要通過簡單易行的方式讓學(xué)生加以認(rèn)識(shí)和學(xué)習(xí)，途徑之一是利用軟件仿真來可視化這些內(nèi)容，通過改變參數(shù)觀察不同的結(jié)果，能讓學(xué)生對(duì)此有感性認(rèn)識(shí)，有興趣的學(xué)生可以通過與教師交流進(jìn)一步學(xué)習(xí)，這對(duì)他們中的一部分今后走向科研道路是有幫助的;途徑之二是讓學(xué)生閱讀文獻(xiàn)，其中必須包括外文文獻(xiàn)，然后寫出自己的認(rèn)識(shí)和疑惑，這種方式一方面鍛煉了學(xué)生查閱文獻(xiàn)的能力，同時(shí)也增強(qiáng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)和主動(dòng)思考的能力。

除此之外，由于部分實(shí)驗(yàn)裝置數(shù)量有限不利于大范圍的學(xué)生操作，我們還可以通過演示實(shí)驗(yàn)，將教師或科研團(tuán)隊(duì)的研究成果制作視頻加以展示等多種手段使學(xué)生了解機(jī)器人技術(shù)研究前沿，激發(fā)學(xué)生的對(duì)科學(xué)探索的求知欲，同時(shí)還可以吸納有興趣和潛力的學(xué)生加入科研團(tuán)隊(duì)進(jìn)行更加深入的研究。

3 現(xiàn)代工程教育背景下的機(jī)器人教育與科技競(jìng)賽相結(jié)合

教學(xué)過程如何與學(xué)科競(jìng)賽、科技活動(dòng)相結(jié)合已有大量文獻(xiàn)進(jìn)行過討論，但需要指出的是，科技競(jìng)賽不應(yīng)僅僅用技術(shù)指標(biāo)作為衡量依據(jù)?，F(xiàn)代高等工程教育要求融合人文科學(xué)和自然科學(xué)，以培養(yǎng)工程應(yīng)用型人才為目標(biāo)，著力培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)、工程素質(zhì)以及工程實(shí)踐能力。

我們提倡在機(jī)器人教育中用競(jìng)賽的形式來激發(fā)學(xué)生的實(shí)踐熱情和鍛煉學(xué)生的實(shí)踐能力［14］，在現(xiàn)階段意義下，我們所指的機(jī)器人或者是一個(gè)軟件工程或者是一個(gè)軟硬件的結(jié)合體，實(shí)際中機(jī)器人的形式大多以后者來體現(xiàn)。因此在現(xiàn)代工程教育觀中，我們強(qiáng)調(diào)無論是課內(nèi)還是課外的競(jìng)賽，學(xué)生制作的機(jī)器人作品除了預(yù)期的技術(shù)指標(biāo)外，還必須要包括如下因素:意義和社會(huì)價(jià)值，團(tuán)隊(duì)協(xié)作與成員分工，成本預(yù)算與風(fēng)險(xiǎn)控制，工業(yè)設(shè)計(jì)構(gòu)思，文檔管理規(guī)范，作品效果自我評(píng)估，自我表達(dá)能力等。重要的一點(diǎn)是機(jī)器人教育與科技競(jìng)賽相結(jié)合的產(chǎn)物應(yīng)當(dāng)體現(xiàn)部分創(chuàng)新性，一味的重復(fù)和模仿，不思考，不發(fā)揮想象力，對(duì)于任何科技競(jìng)賽而言都是沒有價(jià)值的。

機(jī)器人教育的目的之一就是借助機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展動(dòng)力來推進(jìn)教育教學(xué)工作的優(yōu)化和發(fā)展，開展科技競(jìng)賽的目的是提高學(xué)生的實(shí)踐能力和工程素質(zhì)，將機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展動(dòng)力和開展科技競(jìng)賽的活力有效結(jié)合，以創(chuàng)新能力的激發(fā)和現(xiàn)代工程素質(zhì)的培養(yǎng)為目標(biāo)，充分發(fā)揮現(xiàn)代工程教育背景下機(jī)器人教育的生命力。

4 開展機(jī)器人教育的探索與實(shí)踐

機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室依托我校國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心進(jìn)行建設(shè)，實(shí)驗(yàn)室教師團(tuán)隊(duì)近年來對(duì)如何開展機(jī)器人教育進(jìn)行了積極的探索與實(shí)踐。在課程體系的設(shè)置方面，以“電子實(shí)訓(xùn)”、“金工實(shí)習(xí)”、“創(chuàng)新實(shí)踐”、“科學(xué)技術(shù)史”、“工程技術(shù)概論”、“現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)概論”為基礎(chǔ)課程，在此基礎(chǔ)上，我們開設(shè)了“機(jī)器人創(chuàng)意設(shè)計(jì)與實(shí)踐”、“趣味單片機(jī)制作”、“陶藝制作與鑒賞”等多門素質(zhì)類課程。

圖1 課程層次結(jié)構(gòu)簡圖

圖2 實(shí)驗(yàn)室機(jī)器人教學(xué)設(shè)備

在“機(jī)器人綜合設(shè)計(jì)與實(shí)踐”課程中，如圖1所示，我們綜合考慮不同層次學(xué)生的需求，首先從機(jī)器人認(rèn)知和機(jī)器人文化開始，通過多媒體的方式讓學(xué)生們對(duì)機(jī)器人的種類、現(xiàn)實(shí)應(yīng)用、前沿技術(shù)有一個(gè)總體的印象。接下來，我們以小組的形式指導(dǎo)學(xué)生完成一個(gè)二輪巡線機(jī)器人的制作過程，所有器件和材料和配件都從網(wǎng)上選購，車體面板采用5 mm有機(jī)玻璃，讓學(xué)生根據(jù)各種車載電路板和電機(jī)支架開孔的尺寸要求用CAD作圖，然后使用激光雕刻機(jī)切割外形輪廓并開孔開槽，單片機(jī)小系統(tǒng)來自“電子實(shí)訓(xùn)”課程的作品，巡線板作為標(biāo)準(zhǔn)模塊預(yù)先制作完成，并通過熱轉(zhuǎn)印，液體腐蝕、絲網(wǎng)印刷、元器件貼裝、再流焊一系列過程完成電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分的PCB制作，通過這樣的一個(gè)實(shí)踐過程極大的鍛煉了學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力。另一方面，充分利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，如全向自主移動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人，6自由度串、并聯(lián)工業(yè)機(jī)器人，16自由度人形機(jī)器人和慧魚組合模型來供學(xué)生學(xué)習(xí)和實(shí)踐，見圖2。

同時(shí)，我們選取一部分有代表性的技術(shù)做專題講座，如為什么全向輪可以使機(jī)器人不需轉(zhuǎn)向就可以朝任意方向運(yùn)動(dòng)，全景視覺在現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用，為什么HSV顏色空間比RGB顏色空間更加有利于顏色識(shí)別，A*、D*算法與簡單的機(jī)器人路徑規(guī)劃，串聯(lián)機(jī)器人的正、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解等主題，并且對(duì)每一個(gè)主題我們都通過軟件來實(shí)現(xiàn)直觀的可視化分析，如圖3所示，這些 做法都增強(qiáng)學(xué)生對(duì)機(jī)器人技術(shù)的認(rèn)知和理解能力。

圖3 機(jī)器人技術(shù)的可視化分析案例

在課程的教學(xué)之外，我們還組建了電子愛好者協(xié)會(huì)，進(jìn)一步發(fā)掘了有強(qiáng)烈學(xué)習(xí)興趣和潛質(zhì)學(xué)生，學(xué)生可以通過申請(qǐng)加入“智能機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)踐班”，在這里他們將進(jìn)一步學(xué)習(xí)和掌握機(jī)器人技術(shù)的相關(guān)知識(shí)，進(jìn)而為師生共建科研團(tuán)隊(duì)，構(gòu)建創(chuàng)新人才培養(yǎng)平臺(tái)提供了必要條件［15］。近年來，我們培養(yǎng)的學(xué)生在全國電子涉及大賽、亞太機(jī)器人大賽、飛思卡爾杯全國大學(xué)生智能車競(jìng)賽等多項(xiàng)全國賽事中均取得了優(yōu)異的成績，學(xué)生的實(shí)踐能力、工程素質(zhì)和創(chuàng)新意識(shí)有了明顯的提升。

同時(shí)，學(xué)生參與實(shí)際工程項(xiàng)目的熱情被不斷激發(fā)，Brokk機(jī)器人智能化改造，以及2009年河南杞縣和廣東番禺輻照裝置卡源故障的成功排除，如圖4所示，既是我校機(jī)器人教育在多學(xué)科之間交叉融合的成果，也是我校師生科研團(tuán)隊(duì)工程實(shí)踐能力的集中體現(xiàn)，卓有成效地開創(chuàng)了師生共建、責(zé)任共擔(dān)、雙方共贏的新格局，拓展了工程素質(zhì)教育的新途徑。

圖4 師生參與機(jī)器人實(shí)際工程項(xiàng)目案例

5 結(jié)語

如何有效地以機(jī)器人教育為載體，把握機(jī)器人技術(shù)進(jìn)步的趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)多學(xué)科之間的技術(shù)共享和協(xié)作創(chuàng)新，是機(jī)器人教育可持續(xù)發(fā)展重要因素，以現(xiàn)代高等工程教育的“大工程”觀將機(jī)器人教育的本質(zhì)和內(nèi)涵科學(xué)地滲透到各學(xué)科專業(yè)，在提高實(shí)踐能力的同時(shí)，如何有效激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維和協(xié)作能力，是高校開展機(jī)器人教育應(yīng)重點(diǎn)思考之處。同時(shí)，機(jī)器人教育沒有固定的模式，高校在開展機(jī)器人教育的同時(shí)，應(yīng)結(jié)合自身特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)學(xué)科加以思考和利用，營造以學(xué)生為本的教學(xué)氛圍，讓學(xué)生在充滿樂趣和成就感的氛圍中體驗(yàn)科技創(chuàng)新所帶來的愉悅感受。

我校近年來在落實(shí)培養(yǎng)“具有創(chuàng)新潛能和協(xié)作精神的高級(jí)應(yīng)用型專門人才”的目標(biāo)上，充分利用綿陽科技城的區(qū)域優(yōu)勢(shì)和優(yōu)勢(shì)學(xué)科，倡導(dǎo)“協(xié)同創(chuàng)新”機(jī)制，在如何將機(jī)器人教育與人才培養(yǎng)方面進(jìn)行了積極有效的探索和實(shí)踐，值此西南科技大學(xué)建校60周年之際，我們將以吳佑壽院士的題詞“創(chuàng)業(yè)維艱寒暑六十，拼搏奮斗再譜華章”為激勵(lì)，在培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型工程科技人才方面將不斷探索和總結(jié)。

［1］ 董翠敏，劉永強(qiáng).以機(jī)器人教育為平臺(tái)培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和能力［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011，30(9):243-244.

［2］ 王 益，張劍平.美國機(jī)器人教育的特點(diǎn)及其啟示［J］.現(xiàn)代教育技術(shù)，2007，17(11):108-112.

［3］ Dias M B，Korsah G A.Thrishantha robotics，education，and sustainable development［C］//Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation.Barcelona，Spain:IEEE conference publications.2005:4248-4253.

［4］ Dias M B，Browning B，Mills-Tettey G A，et al.Undergraduate robotics education in technologically underserved communities［C］//Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation.Roma，Italy:IEEE conference publications，2007:1387-1392.

［5］ Masaaki K.Educating robot development in a university laboratory from first year-A trial of a robotics club under observation at a laboratory［J］.Journal of Robotics and Mechatronics，2011，23(5):822-829.

［6］ Birk A.What is robotics?An interdisciplinary field Is getting even more diverse［J］.Robotics＆ Automation Magazine，2011，18(4):94-95.

［7］ Dhaouadi R，Sleiman M A.Development of amodularmobile robot platform:Applications in motion-control education［J］.IEEE Industrial Electronics Magazine，2011，5(4):35-45.

［8］ 趙婷婷，買楠楠.基于大工程觀的美國高等工程教育課程設(shè)置特點(diǎn)分析——麻省理工學(xué)院與斯坦福大學(xué)工學(xué)院的比較研究［J］.高等教育研究，2004，25(6):94-101.

［9］ Ishida T，Kuroki Y，Yamaguchi J，et al.Motion entertainment by a small humanoid robot based on OPEN-R［C］//Proceedings of the IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems.Hawaii，USA:IEEE conference publications，2001:1079-1086.

［10］ Sugahara Y，Lim H，Takanishi A，et al.Walking up and down stairs carrying a human by a biped locomotorwith parallelmechanism［C］//Proceedings of the IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems.Hawaii，USA:IEEE conference publications，2005:3425-3430.

［11］ Nakadate R，Solis A，Akanishi A，et al.Development of a robotic carotid blood measurement WTA-1RII:Mechanical improvement of gravity compensation mechanism and optimal Link position of the parallelmanipulator based on GA［C］//Proceedings of the IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics.Singapore:IEEE conference publications， 2009:717-722.

［12］ Maxwell B A，Meeden L A.Integrating robotics research with undergraduate education［J］.IEEE Intelligent Systems Magazine，2000，15(6):22-27.

［13］ Weinberg JB，Engel G L，Gu K，et al.A multidisciplinary model for using robotics in engineering education［C］//Proceedings of the American Society for Engineering Education Annual Conference and Exposition.Albuquerque，NM:ASEE publications，2001:2620.

［14］ Verner IM，Ahlgren D J. Robot contest as a laboratory for experiential engineering education［J］.Journal on Educational Resources in Computing，2004，4(2):1-15.

［15］ 閻世梁，張 華，肖曉萍，等.師生共建科研團(tuán)隊(duì)，構(gòu)建創(chuàng)新人才培養(yǎng)平臺(tái)［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2009，28(3):8-11.